徐天旻

（安徽省聯(lián)通公司，　安徽　合肥　230000）

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GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺設計

徐天旻

（安徽省聯(lián)通公司，安徽合肥230000）

介紹了GPRS通用數(shù)據(jù)傳輸平臺的總體結構、以及GPRS通信技術、GPS定位技術和圖像壓縮技術；設計了基于AT命令方式實現(xiàn)的GSM通信和GPRS通信，設計主體包括GPRS模塊、GPS數(shù)據(jù)采集模塊、JPEG圖像數(shù)據(jù)采集模塊。

GPRS；無線傳輸

一、設計背景及系統(tǒng)框架

（一）GPRS通信技術

通用分組無線業(yè)務GPRS（General Packet Radio Service）是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，面向用戶提供移動分組的IP或者X．25連接。是在目前現(xiàn)有的GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種新型承載業(yè)務。

GPRS網(wǎng)絡引入了分組交換和分組傳輸?shù)母拍?，這樣使得GSM網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)業(yè)務的支持從網(wǎng)絡體系上得到了加強。

（二）系統(tǒng)框架

本文介紹了一種基于GPRS網(wǎng)絡和MCU微處理器的嵌入式通用數(shù)據(jù)傳輸平臺設計，主要設計了GPS定位數(shù)據(jù)，JPEG圖像數(shù)據(jù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集傳輸，從而實現(xiàn)終端與監(jiān)控中心的實時遠程交互式監(jiān)控傳輸。GPRS網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)由GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺、無線GPRS傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控中心三部分組成，整個系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　基于GPRS網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺由MCU模塊、GPRS通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊三部分構成。其中數(shù)據(jù)采集模塊包括GPS定位數(shù)據(jù)模塊、JPEG圖像采集模塊和環(huán)境信息采集模塊。

MCU微控制模塊，主要起到控制外圍GPRS模塊實現(xiàn)通GPRS的連接和通信。通過I/O口，MCU可實現(xiàn)與GPS模塊、JPEG300圖像數(shù)據(jù)采集模塊和環(huán)境信息采集模塊的連接，并控制外圍模塊的工作狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)控中心需求，控制不同模塊采集需求數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)通過GPRS模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，進行遠程監(jiān)控。

無線GPRS網(wǎng)絡，負責監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)傳輸平臺之間的信息傳輸。

數(shù)據(jù)從含有GPRS模塊的終端傳輸?shù)絀nternet要經(jīng)過四個設備，MS（Mobile Station）、基站系統(tǒng)BSS （Base Station System）、服務GPRS節(jié)點SGSN（Serving GPRS Support Node） 和網(wǎng)關GPRS節(jié)點GGSN （Gateway GPRS Support Node）。通過以上四個設備將智能終端設備和Internet連接起來，完成了GPRS到Internet網(wǎng)絡的連接，并實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信。

監(jiān)控中心是連接到Internet的PC機，加載監(jiān)控中心的軟件平臺，它采用VC/C++、VB、JAVA等實現(xiàn)，采用SOCKET技術，對終端實時監(jiān)控。

二、模擬終端設計

通過Visuan Basic6．0界面設計環(huán)境，設計仿真數(shù)據(jù)終端設備與SIM300C模塊之間的數(shù)據(jù)通信，并通過GSM/GPRS網(wǎng)絡，實現(xiàn)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交互。

（一）通信實現(xiàn)

SIM300C模塊是美國SIMCOM公司生產(chǎn)的一種通用的GSM/GPRS模塊，與數(shù)據(jù)終端設備DTE（Data Terminal Equipment）或者終端設備TE（Terminal Equipment）進行交互通信時，都必須用AT命令進行預處理，才能實現(xiàn)兩者之間的通信交互。

GSM模塊與計算機之間的通信協(xié)議是一些AT指令集，從系統(tǒng)的角度來看，可以把SIM300C作為一個普通的調制解調器來操作。

（二）GPRS通信實現(xiàn)

要建立GPRS連接，要經(jīng)歷：定義PDP上下文、建立接入點、網(wǎng)絡附著、定義連接方式、連接目的IP和端口號幾個部分。但目前網(wǎng)絡運營商在開通GPRS服務以后，已經(jīng)完成了前幾部分的工作。所以，在GPRS實際連接過程中，基本上可以考慮后面幾部分即可。

1．AT+CIP START=＜1＞，＜2＞，＜3＞

參數(shù)＜1＞為建立GPRS連接的連接方式參數(shù)，可為UDP或者TCP；參數(shù)＜2＞為建立連接的目的地址，為IP地址或者域名；參數(shù)＜3＞為與目的地建立連接的連接端口號，一般采用1024-65535的動態(tài)端口號。

2．AT+CIP SEND=＜n＞

GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)預處理。AT+CIP SEND發(fā)送數(shù)據(jù)前可以確定本次發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，也可以采用自適應發(fā)送數(shù)據(jù)長度處理。

三、傳輸協(xié)議設計

為較好的實現(xiàn)監(jiān)控中心與終端設備的交互通信，提高數(shù)據(jù)傳的穩(wěn)定性、可靠性，在數(shù)據(jù)與監(jiān)控中心進行實時通信的過程中，擬定以下協(xié)議。

（一）地理信息傳輸協(xié)議

地理信息主要是監(jiān)控中心實時接收終端GPS接收模塊的采集的經(jīng)度、緯度、高度、速度、時間和跟蹤衛(wèi)星數(shù)目。

（二）圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在傳輸圖像數(shù)據(jù)過程中，采用SIM300C模塊“面向非連接”的UDP（User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）傳輸模式。

（三）環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)要求有較高的交互性，因而我們充分考慮中心與終端的可靠互動性，制定以下傳輸協(xié)議。

監(jiān)控中心下發(fā)終端命令格式：

幀同步，2Bytes　命令類型，1Byte　信息負荷（數(shù)據(jù)長度與信息類型有關

終端發(fā)送到監(jiān)控中心信息格式：

頭信息2Bytes、終端ID 1Byte、信息類型 1Byte、信息負荷長度由信息類型確定

四、硬件電路設計

本系統(tǒng)是一種基于GPRS網(wǎng)絡和MCU微處理器的嵌入式系統(tǒng)，其硬件框架如圖2所示。

圖2　基于GPRS通用數(shù)據(jù)平臺的邏輯框圖

系統(tǒng)主要由MCUC8051F020、SIM300C模塊、SIM卡、GPS模塊、JPEG300模塊和JTAG接口組成，通過MCU8051F020控制外圍模塊，實現(xiàn)監(jiān)控中心與數(shù)據(jù)終端的交互式數(shù)據(jù)通信。

GPS模塊主要完成定位信息的采集，MCU通過UART1增強型串口與GPS模塊相連，獲取日期，時間，經(jīng)度，緯度，高度和跟蹤衛(wèi)星數(shù)目等信息；SIM300C模塊主要完成與GSM/GPRS網(wǎng)絡的無線連接，提供傳輸數(shù)據(jù)的平臺；JPEG300是一種具備視頻捕捉和壓縮的攝像機，它將攝像、視頻捕捉、視頻壓縮、8位數(shù)據(jù)接口集成一體，單幀數(shù)據(jù)量最低可達3K （160*128分辨率）的JPEG圖片；環(huán)境信息采集模塊主要采集監(jiān)控環(huán)境的溫度、壓力、水位信息。采集模塊選用LEVELTROLL系列的水位監(jiān)測儀包含了水位及溫度傳感器、內置記錄功能及內置電池，所有功能都集成在直徑18．3mm的金屬外殼的儀器內，適合各類型水環(huán)境，甚至深海環(huán)境的水位測量。采用RS-485接口通訊方式，易用的軟件使您可以快速的獲得數(shù)據(jù)，達到高精度、低漂移的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

通過MCU，此系統(tǒng)能夠通過GPRS通信與監(jiān)控中心連接，觀測終端的GPS地理信息和實時圖片信息，并可以監(jiān)控中心實現(xiàn)交互處理。能夠遠程的實現(xiàn)對環(huán)境信息量的監(jiān)測和控制。當然他只是一通用系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集端可以是諸如機房溫度、濕度、壓強，或者是POS機等無線終端設備。

五、外圍電路設計

（一）SIM300CGPRS模塊

SIM300C是小體積即插即用模組中完善的三頻/四頻GSM/GPRS解決方案。在本系統(tǒng)中，模塊外圍接口主要與MCU、SIM卡、揚聲器接口、麥克風接口、蜂鳴器等進行連接。選取模塊的串口0的RXD和TXD分別與與MCU的P0．0、P0．1相連，進行交互式串口通信，SIM300C模塊工作于串口0時，可進行語音、SMS、GPRS等通信，而接串口1時，模塊只能進行AT命令調試，且對于SIM300C模塊不能同時使用兩個串口，串口0工作的波特率是一種自適應的波特率，隨外界輸入波特率的變化，可隨時進行同步，但最高波特率不能超過115200bps。

（二）GPS數(shù)據(jù)采集模塊

JIUPITER GPS接收板是GPS衛(wèi)星制造商ROCKWELL公司產(chǎn)品，它具有捕獲衛(wèi)星速度快，無靜態(tài)漂移，自動檢測天線狀態(tài)，首次定位時間TTFF短，動態(tài)性能好，可進行多種設置，得到多種數(shù)據(jù)，自動冷啟動定位處理，有極強的抗遮擋能力；提供載波相位輸出；非常適合在各種導航定位設備及車/船等移動目標中使用。

JIUPITER接收板將采集的GPS定位數(shù)據(jù)輸入到MCU進行處理。TMARK（PIN19）與MCU外部中斷/ INT1相連，TMARK的上升沿與UTC時間同步，誤差在1us之內。因此我們可以有充足的時間來標明TMARK的時刻。

（三）JPEG300圖像采集模塊

JPEG300模塊采用30萬像素的CMOS傳感技術，具有自動曝光、自動增益調節(jié)、自動調節(jié)等功能，是一種具備視頻捕捉和壓縮的攝像機，它將攝像機、視頻捕捉、視頻壓縮、8位數(shù)據(jù)接口集成一體，能夠較為方便的與各種單片機相連，可簡單的與DSP、PC104總線連接，亦可直接與PC機EPP并口直接相連。JPEG300具有高大25倍的圖像壓縮比例，圖像效果仍能比較清晰。其單幀數(shù)據(jù)量最低可達3K（160*128分辨率）的JPEG圖片。

（四）外部擴展SRAM存儲模塊

由于串口數(shù)據(jù)的傳輸速度115200bps低于JPEG300的圖像輸出速度，所以必須在MCU外圍擴展SRAM。選擇32K非易失性鐵電存儲器FM18L08。

六、軟件設計

軟件平臺采用Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境IDE，軟件設計過程中，我們重點對MCU的軟件配置和數(shù)據(jù)采集模塊進行編程。數(shù)據(jù)采集部分重點分析了項目中GPS定位數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)和環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集過程。

（一）C8051F020的應用設計

采用Cygnal公司的C8051F020MCU作為數(shù)據(jù)采集模塊的微控制器。設計中使用了UART0（TX0、RX0）、UART1（TX1、RX1）、/INT0、/INT1。

要對系統(tǒng)擴展外部XRAM，選擇高端口P4～P7通過總線實現(xiàn)CPU與XRAM之間的通信；P7口作為數(shù)據(jù)地址復用AD0～AD7；P6作為地址高8位A8～A15；P4提供ALE、/WR、/RD控制總線信號。與外部存儲器接口相關2個特殊功能寄存器，接口控制寄存器EMI0CF=0x24，外部存儲器接口時序控制寄存器EMI0TC=0x6D。

（二）GPS數(shù)據(jù)采集軟件設計

GPS數(shù)據(jù)采集子程序GPS Data（）軟件流程如圖3所示。

圖3　GPS數(shù)據(jù)采集流程圖

（三）JPEG圖像采集軟件設計

無線圖像傳輸數(shù)據(jù)采集模塊JPEG300用于圖像的采集、存儲和發(fā)送。

JPEG300集成了CMOS傳感器、JPEG壓縮芯片以及串行接口，壓縮比高，傳輸速率理想。由于JPEG300發(fā)送給單片機的數(shù)據(jù)是已經(jīng)壓縮的JPG文件，單片機不需要對圖像作過多的處理，只需要將采集的圖像存于存儲芯片，再通過串口把需要發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，然后GPRS模塊將圖像發(fā)送到網(wǎng)絡上去。

JPEG300只有在預備狀態(tài)才會查詢CAPEN引腳，只要發(fā)現(xiàn)CAPEN=1就啟動采集過程。即使隨后CAPEN=0，整個采集過程也會持續(xù)完成而不被終止。

（四）環(huán)境信息數(shù)據(jù)采集軟件設計

Level Troll系列的水位監(jiān)測儀采用Mod bus協(xié)議，此協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用協(xié)議，通過Mod bus，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡和其它設備之間可以完成數(shù)據(jù)交換。

Level Troll水位監(jiān)測儀外圍采用的RS485接口，控制器能采用RTU模式。

針對上述采集輸出格式，在軟件設計中調用了Environ Data（）子函數(shù)，用來實現(xiàn)底層水位監(jiān)測儀采集數(shù)據(jù)的提取。

七、結論

整套項目的設計重點：用Visual Basic完成模擬終端的設計；設計基于GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺的整體結構，精心選擇傳輸平臺所使用的器件和模塊；反復調試SIM300C模塊，精簡GPRS網(wǎng)絡連接步驟，消除GPRS連接過程中的冗余AT命令，簡化軟件連接步驟；充分考慮節(jié)能問題。

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（責任編輯：袁媛）

A Design of Data Transmission Platform Based on GPRS

XU Tian-min
（Anhui Branch of China Unicom，Hefei 230000，China）

The overall structure of data transmission platform based on GPRS is presented．The GPRS communications technology，GPS positioning technology and image compression technology are also introduced．Based on the AT Command，a design is made to realize the GSM communications and GPRS communications．The design consists of the GPRS module，GPS data acquisition module，and JPEG image data acquisition module．

GPRS；wireless transmission

TN914

B

1671-802X（2016）03-0054-04

2016-03-12

徐天旻（1982-），男，安徽合肥人，助理工程師，碩士，研究方向：數(shù)字通信技術。E-mail：xuwenpu@21cn．com．